據(jù)悉，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和IBM的科學(xué)家開發(fā)了一種新型激光器，相關(guān)研究成果以“ Ultrafast tunable lasers using lithium niobate integrated photonics”為題發(fā)表在《Nature》上。

盡管已經(jīng)證明了基于LiNbO3的可調(diào)諧集成激光器，但該平臺在證明頻率敏捷、窄線寬集成激光器方面的潛力尚未完全挖掘。本文報(bào)道了一種基于混合氮化硅( Si 3 N 4 - LiNbO 3)光子平臺的快速調(diào)諧激光器，并演示了其在激光測距中的應(yīng)用。

這種激光器基于一種叫做鈮酸鋰的材料，這種材料經(jīng)常用于光調(diào)制器領(lǐng)域，它可以控制通過設(shè)備傳輸?shù)墓獾念l率或強(qiáng)度。開發(fā)人員表示，新型激光器可能對激光雷達(dá)和光學(xué)測距產(chǎn)生“重大影響”。

鈮酸鋰它可以處理大量的光功率，并且具有很高的“Pockels系數(shù)”，這意味著當(dāng)對其施加電場時(shí)，它可以改變其光學(xué)性質(zhì)。

本研究研制的 LiNbO 3- Si 3 N 4芯片。圖片來源:Grigorii Likhachev (EPFL)

研究人員通過將鈮酸鋰與氮化硅結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了他們的突破，這使他們能夠生產(chǎn)出一種新型的混合集成可調(diào)諧激光器。為此，該團(tuán)隊(duì)在EPFL制造了基于氮化硅的光集成電路，然后在IBM將其與鈮酸鋰晶圓結(jié)合。

LiNbO 3在 Si 3 N 4 PIC上的異構(gòu)集成

異構(gòu)、低損耗 Si 3 N 4- LiNbO 3光子集成平臺，用于快速可調(diào)諧自注入鎖定激光器。

激光自注入鎖定

集成、雜化 Si 3 N 4- LiNbO 3平臺。

研究人員的平臺基于超低損耗Si3N4光子集成電路與薄膜LiNbO3的異質(zhì)集成，通過在晶片級直接鍵合，與之前演示的芯片級集成相比，具有8.5分貝/米的低傳播損耗，通過自注入鎖定激光二極管實(shí)現(xiàn)窄線寬激光。

自注入鎖定DFB激光器的電光頻率調(diào)諧。

諧振器以12 × 1015Hz的速度進(jìn)行電光激光頻率調(diào)諧，具有高線性度和低遲滯，同時(shí)保持窄線寬。使用混合集成激光器，進(jìn)行概念驗(yàn)證相干光學(xué)測距(FMCW激光雷達(dá))實(shí)驗(yàn)。賦予Si3N4光子集成電路LiNbO3，創(chuàng)造了一個(gè)平臺，結(jié)合了薄膜LiNbO3和Si3N4的個(gè)人優(yōu)勢，顯示出精確的光刻控制，成熟的制造和超低損耗。

激光雷達(dá)的應(yīng)用

這種方法產(chǎn)生了一種具有低頻噪聲(衡量激光頻率穩(wěn)定性的指標(biāo))的激光，同時(shí)具有快速的波長調(diào)諧——這兩種特性都是用于光探測和測距(激光雷達(dá))應(yīng)用的激光器的優(yōu)良品質(zhì)。然后研究人員進(jìn)行了光學(xué)測距實(shí)驗(yàn)，用激光高精度地測量距離。

光學(xué)相干測距演示

使用混合集成激光器的相干FMCW激光雷達(dá)演示。

研究人員表示，這一結(jié)果的顯著之處在于，激光同時(shí)提供了低相位噪聲和快速調(diào)諧，這是以前從未有過的芯片級集成激光器實(shí)現(xiàn)過的。

非均相 Si 3 N 4- LiNbO 3波導(dǎo)的掃描電子顯微鏡圖像。

FMCW激光雷達(dá)設(shè)置

除了集成激光器之外，混合平臺還有潛力實(shí)現(xiàn)用于電信的集成收發(fā)器以及用于量子計(jì)算的微波光學(xué)換能器。

相關(guān)論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05724-2